Производство из алюминия: Как производится алюминий

Как производится алюминий

Сайт об алюминии

Несмотря на то, что алюминий самый распространенный металл на нашей планете, в чистом виде на Земле его не встретить. Из-за высокой химической активности атомы алюминия легко образуют соединения с другими веществами. При этом «крылатый металл» нельзя получить плавлением руды в печи, как это происходит, например, с железом. Процесс получения алюминия значительно сложнее и основан на использовании электричества огромной мощности. Поэтому алюминиевые заводы всегда строятся рядом с крупными источниками электроэнергии – чаще всего гидроэлектростанциями, не загрязняющими окружающую среду. Но обо всем по порядку.

  • Бокситы

  • Глинозем

  • Криолит

  • Алюминий

  • Литейное производство

  • Новые технологии

  • Переработка


«В природе ничто не возникает мгновенно и ничто не появляется в свете в совершенно готовом виде».

Александр Герцен
русский публицист, писатель

Добыча бокситов

Производство металла делится на три основных этапа: добыча бокситов – алюминийсодержащей руды, их переработка в глинозем – оксид алюминия, и, наконец, получение чистого металла с использованием процесса электролиза – распада оксида алюминия на составные части под воздействием электрического тока. Из 4-5 тонн бокситов получается 2 тонны глинозема, из которого производят 1 тонну алюминия.

В мире существуют несколько видов алюминиевых руд, но основным сырьем для производства этого металла являются именно бокситы. Это горная порода, состоящая, в основном, из оксида алюминия с примесью других минералов. Боксит считается качественным, если он содержит более 50% оксида алюминия.

Запасы бокситов
Общие мировые подтвержденные запасы бокситов оцениваются в 18,6 миллиардов тонн. При нынешнем уровне добычи это обеспечивает потребность в алюминий больше, чем на сто лет.

Бокситы могут сильно отличаться друг от друга. По структуре они бывают твердые и плотные либо рыхлые и рассыпчатые. По цвету – как правило, кирпично-красные, рыжеватые или коричневые из-за примеси оксида железа. При небольшом содержании железа бокситы имеют белый или серый цвет. Но иногда встречаются руды желтого, темно-зеленого цвета и даже пестрые – с голубыми, красно-фиолетовыми или черными прожилками.

Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточено в странах тропического и субтропического поясов – из них 73% приходится на пять стран: Гвинею, Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. В Гвинее бокситов больше всего – 5,3 миллиарда тонн (28,4%), при этом они высокого качества, содержат минимальное количество примесей и залегают практически на поверхности.

Крупнейшие страны по добыче бокситов, 2014 год

Чаще всего добыча бокситов ведется открытым способом – специальной техникой руду «срезают» слой за слоем с поверхности земли и транспортируют для дальнейшей переработки. Однако в мире есть места, где алюминиевая руда залегает очень глубоко, и для ее добычи приходится строить шахты – одна из самых глубоких шахт в мире «Черемуховская-Глубокая» находится в России, на Урале, ее глубина – 1550 метров.

Производство глинозема

Следующим этапом является производственной цепочки является переработка бокситов в глинозем – это оксид алюминия Al2O3, который представляет собой белый рассыпчатый порошок. Основным способом получения глинозема в мире является метод Байера, открытый более ста лет назад, но актуальный до сих пор – около 90% глинозема в мире производятся именно так. Этот способ весьма экономичен, но использовать его можно только при переработке высококачественных бокситов со сравнительно низким содержанием примесей – в первую очередь кремнезема.

Метод Байера основан на следующем: кристаллическая гидроокись алюминия, входящая в состав боксита, хорошо растворяется при высокой температуре в растворе едкого натра (каустической щёлочи, NaOH) высокой концентрации, а при понижении температуры и концентрации раствора вновь кристаллизуется. Посторонние, входящие в состав боксита (так называемый балласт), не переходят при этом в растворимую форму или перекристаллизовываются и выпадают в осадок до того, как производится кристаллизация гидроокиси алюминия. Поэтому после растворения гидроокиси алюминия балласт легко может быть отделен – он называется красный шлам.

Красный шлам

Это густая масса красно-бурого цвета, состоящая из соединений кремния, железа, титана и других элементов. Его складируют на тщательно изолированных территориях – шламохранилищах. Их обустраивают таким образом, чтобы содержащиеся в отходах щёлочи не проникали в грунтовые воды. Как только хранилище отрабатывает свой потенциал, территорию можно вернуть в первоначальный вид, покрыв её песком, золой или дёрном и посадив определённые виды деревьев и трав. На полное восстановление могут уйти годы, но в итоге местность возвращается в изначальное состояние.

Многие специалисты не считают красный шлам отходом, так как он может служить сырьем для переработки. Например, из него извлекают скандий для дальнейшего производства алюминиево-скандиевых сплавов. Скандий придает таким сплавом особую прочность, сферы использования – автомобиле- и ракетостроение, спортивная экипировка, производство электропроводов.

Также красный шлам может использоваться для производства чугуна, бетона, получения редкоземельных металлов.

Крупные частицы гидроксида алюминия легко отделяются от раствора фильтрованием, их промывают водой, высушивают и кальцинируют – то есть нагревают для удаления воды. Так получают глинозем.

Нефелин
Бокситы – самое распространенное, но не единственное сырье для производства глинозема. Его также можно получить из нефелина. В природе он встречается в виде апатито-нефелиновых пород (апатит – материал из группы фосфорнокислых солей кальция). В процессе производства глинозема из нефелина также получают сода, поташ (используется в строительном секторе, производстве бытовой химии, кондитерской промышленности и так далее), редкий металл галлий. А из отходов производства – белого шлама – высококачественный цемент. Чтобы получить 1 тонну глинозема в среднем требуется 4 тонны нефелина и 7,5 тонн известняка.

У глинозема нет срока годности, но хранить его непросто, так как при малейшей он возможности активно впитывает влагу – поэтому производители предпочитают как можно быстрее отправлять его на алюминиевое производство. Сначала глинозем складывают в штабели весом до 30 тысяч тонн – получается своеобразный слоеный пирог высотой до 10-12 метров. Потом пирог «нарезают» и грузят для отправки в железнодорожные вагоны – в среднем, в один вагон от 60 до 75 тонн (зависит от вида самого вагона).

Существует еще один, гораздо менее распространенный способ получения глинозема – метод спекания. Его суть заключается в получения твердых материалов из порошкообразных при повышенной температуре. Бокситы спекают с содой и известняком – они связывают кремнезем в нерастворимые в воде силикаты, которые легко отделить от глинозема. Этот способ требует больших затрат, чем способ Байера, но в то же время дает возможность перерабатывать бокситы с высоким содержанием вредных примесей кремнезема.

Криолит

Ивиттуут
Одно из единичных месторождений природного криолита на Земле. Расположено в Гренландии и было обнаружено в 1799 году. Добыча криолита прекратилась там в 1987 году, когда был изобретен способ искусственного получения этого редкого минерала. Позднее криолит был найден в Ильменских горах на Южном Урале (Миасс) и в штате Колорадо (США).

Глинозем выступает непосредственным источником металла в процессе производства алюминия. Но для создания среды, в которой этот процесс будет происходить, необходим еще один компонент – криолит.

Это редкий минерал из группы природных фторидов состава Na3AlF6. Обычно он образует бесцветные, белые или дымчато-серые кристаллические скопления со стеклянным блеском, иногда – почти черные или красновато-коричневые. Криолит хрупкий и легко плавится.

Природных месторождений этого минерала крайне мало, поэтому в промышленности используется искусственный криолит. В современной металлургии его получают взаимодействием плавиковой кислоты с гидроксидом алюминия и содой.

Производство алюминия

Итак, мы добыли боксит, получили из него глинозем, запаслись криолитом. Все готово для последней стадии – электролизу алюминия. Электролизный цех является сердцем алюминиевого завода и не похож на цеха других металлургических предприятий, производящих, например, чугун или сталь. Он состоит из нескольких прямоугольных корпусов, протяженность которых зачастую превышает 1 км. Внутри рядами установлены сотни электролизных ванн, последовательно подключенных массивными проводами к электричеству. Постоянное напряжение на электродах каждой ванны находится в диапазоне всего 4-6 вольт, в то время как сила тока составляет 300 кА, 400 кА и более. Именно электрический ток является здесь главной производственной силой – людей в этом цехе крайне мало, все процессы механизированы.

Ток для производства алюминия

Для запуска двигателя автомобильный аккумулятор должен обеспечить электрический ток в 300-350 А в течение 30 секунд. То есть в 1000 раз меньше, чем нужно одному электролизеру для постоянной работы.

В каждой ванне происходит процесс электролиза алюминия. Емкость ванны заполняется расплавленным криолитом, который создает электролитическую (токопроводящую) среду при температуре 950°С. Роль катода выполняет дно ванны, а анода – погружаемые в криолит угольные блоки длиной около 1,5 метров и шириной 0,5 метра, со стороны они выглядят как впечатляющих размеров молот.

Каждые полчаса при помощи автоматической системы подачи глинозема в ванну загружается новая порция сырья. Под воздействием электрического тока связь между алюминием и кислородом разрывается – алюминий осаждается на дне ванны, образуя слой в 10-15 см, а кислород соединяется с углеродом, входящим в состав анодных блоков, и образует углекислый газ.

Примерно раз в 2-4 суток алюминий извлекают из ванны при помощи вакуумных ковшей. В застывшей на поверхности ванны корке электролита пробивают отверстие, в которое опускают трубу. Жидкий алюминий по ней засасывается в ковш, из которого предварительно откачан воздух. В среднем, из одной ванны откачивается около 1 тонны металла, а в один ковш вмещается около 4 тонн расплавленного алюминия. Далее этот ковш отправляется в литейное производство.

При производстве каждой тонны алюминия выделяется 280 000 м3 газов. Поэтому каждый электролизер независимо от его конструкции оснащен системой газосбора, которая улавливает выделяющиеся при электролизе газы и направляет их в систему газоочистки. Современные «сухие» системы газоочистки для улавливания вредных фтористых соединений используют ни что иное, а глинозем. Поэтому перед тем как использоваться для производства алюминия, глинозем на самом деле сначала участвует в очистке газов, которые образовались в процессе производства металла ранее. Вот такой замкнутый цикл.

Для процесса электролиза алюминия требуется огромное количество электроэнергии, поэтому важно использовать возобновляемые и не загрязняющие окружающую среду источники этой энергии. Чаще всего для этого используются гидроэлектростанции – они обладают достаточной мощностью и не имеют выбросов в атмосферу. Например, в России 95% алюминиевого мощностей обеспечены гидрогенерацией. Однако есть в места в мире, где угольная генерация пока доминирует – в частности, в Китае на нее приходится 93% производства алюминия. В результате для производства 1 тонны алюминия с использованием гидрогенерации в атмосферу выделяется чуть более 4 тонн углекислого газа, а при использовании угольной генерации – в пять раз больше – 21,6 тонны.

Углекислый газ

Для сравнения — за один солнечный день 1 гектар леса поглощает из воздуха 120-280 кг углекислого газа и выделяет 180-200 кг кислорода.

Литейное производство

Расплавленный алюминий в ковшах доставляется в литейный цех алюминиевого завода. На этой стадии металл все еще содержит небольшое количество примесей железа, кремния, меди и других элементов. Но даже доли процента, приходящиеся на примеси, могут изменить свойства алюминия, поэтому здесь их удаляют методом переплавки в специальной печи при температуре 800°С. Полученный чистый алюминий разливают в специальные формы, в которых металл приобретает свою твердую форму.

Самые маленькие слитки алюминия называются чушками, они имеют вес 6 до 22,5 кг. Получив алюминий в чушках, потребители вновь расплавляют его и придают тот состав и форму, которые требуются для их целей.

Самые большие слитки – 30-тонные параллелепипеды длиной 11,5 метров. Их изготавливают в специальных формах, уходящих в землю на примерно 13 метров. Горячий алюминий заливается в нее в течение двух часов – слиток «растет» в форме как сосулька, только в обратном направлении. Одновременно его охлаждают водой и к моменту завершения выливки он уже готов к дальнейшей транспортировке. Прямоугольные слитки называются слябами (от англ. slabs) – они используются для проката в тонкие листы и производства алюминиевой фольги, банок для напитков или, к примеру, автомобильных кузовов.

Алюминий в форме цилиндрических слитков достигает в длину 7 метров – их используют для экструзии, то есть выдавливание через отверстие необходимой формы. Именно так производится большая часть алюминиевых изделий.

В литейном цехе алюминию придают не только разные формы, но и состав. Дело в том, что в чистом виде этот металл используется гораздо реже, чем в виде сплавов.

Сплавы производятся путем введения в алюминий различных металлов (так называемых легирующих добавок) – одни повышает его твердость, другие плотность, третьи приводят к изменению его теплопроводности и т.д. В качестве добавок используются бор, железо, кремний, магний, марганец, медь, никель, свинец, титан, хром, цинк, цирконий, литий, скандий, серебро и др. Кроме этих элементов, в алюминиевых сплавах могут присутствовать еще около десятка легирующих добавок, таких как стронций, фосфор и другие, что значительно увеличивает возможное число сплавов. На сегодняшний день в промышленности используется свыше 100 марок алюминиевых сплавов.

Новые технологии

Производители алюминия постоянно совершенствуют свои технологии, дабы научиться производить металл наилучшего качества с наименьшими затратами и минимальным воздействием на экологию. Уже сконструированы и работают электролизеры, мощность силы тока у который по 400 и 500кА, модернизируются электролизеры прошлых поколений.

Одна из передовых мировых разработок – производство металла с использованием инертного анода. Эта уникальная революционная технология позволит алюминщикам отказаться от использования угольных анодов. Инертный анод, упрощенно говоря, вечен, но что самое важное – при его использовании в атмосферу выделяется не углекислый газ, а чистейший кислород. Причем 1 электролизная ванна сможет вырабатывать столько же кислорода, сколько 70 га леса. Пока эта технология секретна и проходит промышленные испытания, но кто знает – может быть, в будущем она сделает из алюминиевой промышленности еще одни легкие нашей планеты.

Переработка

Алюминий обладает полезным свойством – не терять своих свойств в процессе использования, поэтому изделия из него могут подвергаться переплавке и вторичной переработке в уже новые изделия. Это позволяет сохранить ту колоссальную энергию, затраченную на производство алюминия впервые.

По расчетам Международного алюминиевого института с 1880 года в мире произведен почти 1 млрд тонн алюминия и три четверти всего этого объема до сих пор используется. Около 35% в зданиях и сооружениях, 30% – в электрических кабелях и оборудовании и 30% – в транспорте.

Здания и сооружения

Электрические кабели

Транспорт

По всему миру собирают отходы алюминия – в быту это, в основном, алюминиевые банки из-под напитков. Подсчитано, что 1 кг собранных и сданных в переработку банок позволяет сэкономить 8 кг боксита, 4 кг различных фторидов и 14 кВт/ч электроэнергии. Кроме этого, это позволяет существенно сократить экологический урон от все разрастающихся свалок. Развитие экологической ответственности делает все более популярной идею раздельного сбора мусора во всем мире.

Алюминиевая банка – самый часто перерабатываемый продукт. Примерно через 6 недель после использования они вновь оказываются на полках магазинов.

Ежегодно в мире производится более 220 млрд банок для напитков, в Европе 90% из них вторично перерабатываются – причем зачастую снова в банки, поэтому именно алюминиевую банку называют вечной. Но переработать можно что угодно – и корпуса автомобилей, и использованную фольгу для запекания, и раму велосипеда.

В статье использованы фотоматериалы © Shutterstock и © Rusal.

Изделия из алюминия на заказ в СПб

«МЗ Синергия» изготавливает из алюминия по чертежам заказчика элементы облицовки фасадов, сварные каркасы, корпуса электронных приборов и другие изделия.

Производство (изготовление) алюминиевых конструкций и изделий из алюминия на заказ — одно из наиболее востребованных направлений деятельности МЗ «Синергия».

Постоянно растущая популярность изделий и конструкций из алюминиевых сплавов обусловлена целым рядом качеств алюминия: коррозионной стойкостью, легкостью, пластичностью и прочностью, при ударе не дают искр, обладают антимагнитностью, огне и сейсмостойкостью. Они экономичны по профилю, имеют хороший внешний вид и не требуют дополнительной отделки лицевой поверхности, легко обрабатываются резанием.

Высокая устойчивость алюминиевых сплавов к коррозии позволяет назначать минимальную толщину элементов конструкции. Небольшая масса дает возможность уменьшить размеры и массу поддерживающих элементов (колонн и фундаментов), сократить транспортные расходы.

Продукция из алюминия широко применяется в строительстве (фасадные кассеты, ограждающие и несущие конструкции), транспортном производстве (машиностроении), электротехникой и пищевой промышленности.

Вот уже второй десяток лет наш завод занимается производством (изготовлением) под заказ металлоизделий из алюминия высокого качества. Это разнообразные детали, узлы технологического оборудования, корпусные изделия, рамы, каркасы и конструкции.

Алюминий легко поддается различным способам обработки. Однако, производство (изготовление) конструкций из алюминия — процесс, требующий от исполнителя понимания свойств этого металла. Особого внимания требует процесс сварки алюминия, для которого необходим высокий уровень сварочного оборудования и квалификации сварщиков.

МЗ «Синергия» располагает мощным парком современного оборудования по раскрою, гибки, сварке и механической обработке алюминия. В штате завода опытные высококвалифицированные операторы станков, сварщики и инженеры-конструкторы.

Проектирование и изготовление сложных изделий и конструкции из алюминия требуют определенных ресурсов, какими обладает производство в МЗ «Синергия». Возможности производства позволяют нам изготавливать самые нестандартные алюминиевые конструкции на Ваш заказ.

Благодаря эффективно организованному процессу производства и действующей на предприятии системе менеджмента качества ИСО 9001, МЗ «Синергия» гарантирует высокое качество отгружаемых изделий в согласованные сроки по доступной стоимости.

Преимущества сотруднечества с нашим заводом:

     — продвинутые технологии;

     — высокая повторяемость конструктивных элементов;

     — контроль ОТК на всех этапах прохождения заказа;

     — сжатые сроки выполнения работ;

     — существенные скидки для серийных заказов;

     — организация доставки готовой продукции на склад заказчика.

Для производства изделий из алюминиевых сплавов на заказ в СПб необходимо прислать нам заявку (в свободной форме) по электронной почте с приложением эскизов или чертежей, номенклатурного перечня с указанием количества, а также сообщить наименование и реквизиты вашей организации. Отправить заявку и получить консультацию относительно стоимости производства работ изделий из алюминия можно по контактам через наших менеджеров.

 

Как производят алюминий

Все об алюминии

Несмотря на то, что алюминий является самым распространенным металлом на планете, чистый алюминий в природе не встречается. Атомы алюминия легко связываются с другими металлами, образуя соединения. В то же время алюминий невозможно выделить, просто расплавив соединения в печи, как, например, железо. Процесс производства алюминия намного сложнее и требует огромного количества электроэнергии. По этой причине алюминиевые заводы всегда строятся вблизи источников энергии, как правило, гидроэлектростанций, которые не загрязняют окружающую среду. Но давайте начнем с самого начала.

  • Добыча бокситов
  • Производство глинозема
  • Криолит
  • Производство алюминия
  • Литейный дом
  • Новые технологии
  • Переработка

« Ничто в природе не возникает из ничего и
Ничто не возникает готовым к использованию ».

Александр Герцен
Русский публицист и писатель

Добыча бокситов

Процесс производства алюминия можно разделить на три этапа; из земли добывают первые бокситы, содержащие алюминий. Во-вторых, бокситы перерабатываются в глинозем или оксид алюминия, и, наконец, на третьем этапе чистый алюминий производится с помощью электролитического восстановления, процесса, в котором оксид алюминия расщепляется на компоненты с помощью электрического тока. Около 4-5 тонн бокситов перерабатываются в 2 тонны глинозема, из которых можно получить около 1 тонны алюминия.

В мире существует несколько полезных ископаемых, из которых можно получить алюминий, но наиболее распространенным сырьем является боксит. Бокситы – это минералы, состоящие в основном из оксида алюминия, смешанного с некоторыми другими минералами. Бокситы считаются качественными, если они содержат более 50% оксида алюминия.

Запасы бокситов
Подтвержденные мировые запасы бокситов оцениваются в 18,6 миллиардов тонн. При нынешнем уровне добычи этого должно хватить более чем на сто лет.

Существует множество разновидностей бокситов. По структуре они могут быть сплошными и плотными или рассыпчатыми. Обычный цвет кирпично-красный, огненно-красный или коричневый из-за оксида железа. Если содержание железа низкое, бокситы могут быть серыми или белыми. Но встречаются и желтые, темно-зеленые и даже разноцветные бокситы с голубоватыми, пурпурными, красными и черными оттенками.

Около 90% мировых запасов бокситов приходится на тропические и субтропические районы, при этом 73% приходится всего на пять стран: Гвинею, Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. Гвинея имеет самые большие запасы бокситов, 5,3 миллиарда тонн (28,4% мировых запасов) и гвинейские бокситы очень высокого качества, содержащие минимальное количество примесей. Они также находятся очень близко к поверхности, что делает их добычу очень легкой.

Крупнейшие производители бокситов в мире, 2014 г.

Наиболее распространенным способом добычи бокситов является использование карьеров. С помощью специального оборудования с поверхности срезается один слой за другим, а затем порода транспортируется в другое место для дальнейшей обработки. Однако есть места, где алюминиевую руду приходится добывать глубоко под землей, и для ее добычи необходимо построить подземные шахты. Одна из самых глубоких шахт — Черемховская-Глубокая на Урале в России, ее стволы проходят на глубину 1550 метров.

Производство глинозема

Следующим этапом производственной цепочки является переработка бокситов в глинозем, или оксид алюминия — Al 2 O 3 , — белый порошок. Наиболее распространенным процессом производства глинозема из бокситов является процесс Байера, который был впервые обнаружен более 100 лет назад, но широко используется и сегодня. Около 90% глиноземных заводов в мире используют процесс Байера. Он очень эффективен, но его можно использовать только на высококачественных бокситах с довольно низким содержанием примесей, особенно кремния.

Принцип процесса Байера заключается в следующем: кристаллизованный гидрат алюминия, находящийся в бокситах, легко растворяется в концентрированной каустической соде (NaOH) при высоких температурах, а при понижении температуры и повторном увеличении концентрации раствора гидрат алюминия кристаллизуется, но остальные элементы, содержащиеся в боксите (так называемый балласт), либо не растворяются, либо перекристаллизовываются и оседают на дно задолго до кристаллизации гидрата алюминия. Это означает, что после растворения гидрата алюминия в едком натре балласт можно легко выделить и удалить. Этот балласт известен как красный шлам.

Красный шлам представляет собой густую красно-коричневую пасту, состоящую из соединений кремния, железа, титана и других. Его утилизируют на специальных изолированных площадках, называемых шламоотвалами. Площадки шламоотвала предназначены для предотвращения просачивания щелочи, содержащейся в шламе, в грунтовые воды. После засыпки шламоотвала территорию можно рекультивировать, засыпав ее песком, пеплом или грязью и посадив там определенные виды деревьев и растений. Хотя на полную рекультивацию могут уйти годы, в итоге территория вернется в исходное состояние.

Многие специалисты не считают красный шлам отходами, поскольку его можно использовать в качестве сырья. Например, из него можно получить скандий, а затем использовать его в алюминиево-скандиевых сплавах. Скандий придает алюминиевым сплавам особую прочность, и такие сплавы можно использовать в автомобилях, ракетах, спортивном инвентаре и в производстве электрических проводов.

Красный шлам также можно использовать в производстве чугуна, бетона и редкоземельных металлов.

Крупные частицы гидрата алюминия можно относительно легко отфильтровать из раствора. Затем их промывают водой, сушат и прокаливают, то есть нагревают для удаления воды. Выходом этого процесса является глинозем.

Нефелин
Бокситы являются наиболее распространенным сырьем для производства глинозема, но не единственным. Глинозем также можно получить из нефелина. Нефелин встречается в виде апатито-нефелиновой породы (апатит — оксид кальция и фосфора). В процессе производства глинозема из нефелина также образуются побочные продукты: сода, поташ (материал, используемый в строительстве, производстве некоторых химических веществ, пищевой промышленности и т. д.) и редкий металл галлий. Отходы производства, белый шлам, могут быть использованы для производства высококачественного цемента. Для производства 1 тонны глинозема требуется 4 тонны нефелина и 7,5 тонн известняка 9.0003

Глинозем имеет неограниченный срок годности, но его необходимо хранить в правильных условиях, так как он при первой же возможности впитает влагу, поэтому производители глинозема предпочитают отправлять его на плавильные заводы как можно скорее. Первый глинозем укладывается в штабели весом до 30 000 тонн. В итоге таким образом строится своего рода слоеный пирог высотой 10-12 метров. Затем куча разрезается и загружается в железнодорожные вагоны по 60-75 тонн в вагоне (в зависимости от типа вагона) для отправки на плавильные заводы.

Существует еще один, гораздо менее распространенный метод получения глинозема. Это называется спеканием. Идея состоит в том, чтобы делать твердые материалы из порошков при высокой температуре. Бокситы спекаются с содой и известью. Последние два элемента связывают кремнезем в нерастворимые силикаты, которые затем можно легко отделить от глинозема. Процесс спекания более энергоемкий, чем процесс Байера, но с его помощью можно получать глинозем из бокситов с высоким содержанием токсичных примесей кремнезема.

Криолит

Ивиттууит
Одно из немногих природных месторождений криолита на Земле находится в городе Ивитууит в Гренландии. Он был открыт в 1799 году. Добыча криолита прекратилась в 1987 году, когда был разработан процесс производства искусственного криолита. Позднее криолит был обнаружен в Ильменских горах на Южном Урале (в Миассе) и в Колорадо, США.

Глинозем является непосредственным источником алюминия в процессе производства алюминия, но для создания подходящей среды для электролиза необходим еще один компонент, и этим компонентом является криолит. Это редкий природный минерал фтора, который из-за его дефицита в естественной форме был получен искусственно. В современном металлургическом производстве криолит получают путем смешивания плавиковой кислоты с гидроксидом алюминия и содой.

Производство алюминия

Итак, мы добыли боксит, сделали из него глинозем и накопили криолит, и теперь все готово к последнему этапу: электролитическому восстановлению для получения алюминия. Участок восстановления — это сердце алюминиевого завода, и он сильно отличается от производственных цехов на ваших типичных сталелитейных заводах, производящих чугун или сталь. Район редукции состоит из нескольких прямоугольных зданий, длина которых иногда превышает 1 километр. Внутри сотни редукционных ячеек или котлов, расположенных рядами и подключенных к источникам питания через массивные кабели. Постоянное напряжение на электродах каждой восстановительной ячейки колеблется в пределах от 4 до 6 вольт, при этом сила тока может достигать 300, 400 кА и более. Именно электрический ток является основной производительной силой в этом процессе. В типичной зоне сокращения находится всего несколько человек, поскольку все ключевые процессы автоматизированы.

Ток для производства алюминия
Для запуска двигателя автомобиля необходим ток 300-350А в течение 30 секунд. Это в 1000 раз меньше, чем требуется одной ячейке редуктора на постоянной основе.

В каждом электролизере алюминий производится из глинозема в процессе электролитического восстановления. Вся ячейка заполнена расплавленным криолитом, создающим проводящую среду при температуре 950°С. Дно ячейки работает как катод, а роль катода играют специальные криолито-углеродные блоки длиной 1,5 метра и шириной 0,5 метра, которые опускают в ячейку. Эти блоки выглядят как массивные молотки.

Каждые тридцать минут автоматическая система подачи глинозема сбрасывает в электролизер новую порцию глинозема. Электрический ток, протекающий через ячейку, разрушает связь между алюминием и кислородом, в результате чего алюминий оседает на дно ячейки и образует слой толщиной 10-15 см, а кислород связывается с углеродом в анодных блоках с образованием углекислого газа. .

Два-четыре раза в день алюминий извлекают из электролизера специальными вакуумными ковшами. В криолитовой корке, образующейся на поверхности восстановительной камеры, пробивают отверстие, затем через отверстие опускают трубу. По этой трубе в ведро засасывается жидкий алюминий, из которого заранее откачивается весь воздух. В среднем из каждой электролизера извлекается около 1 тонны металла, а вакуумный ковш может вместить 4 тонны расплавленного алюминия. Как только ведро наполнится, его отвезут в литейный двор.

На каждую тонну произведенного алюминия выбрасывается 280 000 кубометров газа. По этой причине каждая электролизер, независимо от ее конструкции, оснащена системой газоудаления, которая улавливает выделяющиеся в процессе восстановления газы и направляет их на установку газоочистки. Современные системы очистки сухих газов используют глинозем для фильтрации токсичных соединений фтора из газов. Таким образом, прежде чем использовать в производстве алюминия, глинозем сначала используется для обработки газов, выбрасываемых при более раннем производстве алюминия. Так что в каком-то смысле это замкнутый круг.

Процесс восстановления алюминия требует огромного количества электроэнергии, поэтому важно использовать возобновляемые источники энергии, не загрязняющие окружающую среду. Наиболее распространенным возобновляемым источником энергии являются гидроэлектростанции, поскольку они могут выдавать необходимую мощность, не загрязняя атмосферу. Например, в России 95% алюминиевых заводов получают электроэнергию от гидроэлектростанций. Однако в мире есть места, где по-прежнему доминирует угольная генерация, например, в Китае, 93% производства алюминия получают энергию от электростанций, работающих на угле. При использовании гидроэлектроэнергии в атмосферу выбрасывается всего 4 тонны углекислого газа на каждую тонну произведенного алюминия, а при использовании угольной генерации выбрасывается в пять раз больше углекислого газа на каждую тонну произведенного алюминия, или 21,6 тонны. углекислый газ.

Углекислый газ

За один солнечный день один гектар леса потребляет из атмосферы 120-280 кг углекислого газа и выделяет 180-200 кг кислорода.

Литейный цех

Расплавленный алюминий транспортируется в ведрах в литейный цех плавильного завода. На этой стадии металл еще содержит много железа, кремния, меди и других элементов. Однако даже самые незначительные количества примесей могут резко повлиять на свойства алюминия, поэтому в литейном цехе все примеси удаляются путем переплавки алюминия в специальной печи при температуре 800 o С. Полученный чистый алюминий отливается в специальные формы, где он может затвердеть.

Самые маленькие алюминиевые слитки, часто называемые чушками, весят от 6 до 22,5 кг. Когда клиенты получают алюминий, доставленный им в болванках, они переплавляют его, добавляют любые необходимые компоненты, а затем перерабатывают их в форме, необходимой для их целей.

Самые крупные слитки, 30-тонные слябы длиной 11,5 метров, изготавливаются в специальных изложницах, заглубленных на глубину до 13 метров в землю. Горячий алюминий заливают в такую ​​форму в течение двух часов, при этом сляб «растет» в форме, как сосулька, только снизу вверх. По мере литья сляб охлаждается водой и, как только процесс литья завершен, сляб готов к отгрузке. Затем плиты обычно раскатывают в тонкие листы, которые затем используются при производстве фольги, банок для напитков или панелей кузова автомобиля.

Алюминиевые заготовки длиной 7 метров используются для изготовления прессований – это когда заготовка проталкивается через отверстие необходимой формы. Экструзия — это процесс, используемый для изготовления подавляющего большинства алюминиевых изделий.

В литейном цехе алюминию придают не только необходимую форму, но и необходимый химический состав. Дело в том, что чистый алюминий используется гораздо реже, чем алюминиевые сплавы.

Алюминиевые сплавы получают путем смешивания алюминия с различными другими металлами (так называемыми легирующими элементами). Одни повышают прочность алюминия, другие делают его более плотным, третьи изменяют его теплопроводные свойства и т. д. Распространенными легирующими элементами являются бор, железо, кремний, магний, марганец, медь, никель, свинец, титан, хром, цинк, цирконий, литий, скандий, серебро и другие. Кроме того, в состав алюминиевых сплавов могут входить десятки других легирующих элементов, таких как стронций, фосфор и другие, поэтому общее количество возможных сплавов весьма внушительно. Сегодня в промышленности используется более 100 алюминиевых сплавов.

Новые технологии

Производители алюминия постоянно совершенствуют свои производственные процессы, чтобы добиться максимального качества при минимальных затратах и ​​воздействии на окружающую среду. Уже разработаны электролизеры, работающие на ток 400 и 500 кА, модернизируются электролизеры старого поколения.

Одной из самых передовых технологий, над которой сегодня работают производители алюминия, является процесс инертного анода. Это уникальный революционный процесс, который может позволить производителям алюминия полностью отказаться от использования угольных анодов. Инертный анод потенциально можно использовать до бесконечности, но, что наиболее важно, процесс восстановления на основе инертного анода выбрасывает в атмосферу не углекислый газ, а чистый кислород. Один звонок инертного анода может произвести столько кислорода, сколько 70 гектаров леса. В настоящее время процесс инертного анода разрабатывается в секрете и проходит промышленные испытания, но кто знает, может быть, в ближайшем будущем он превратит алюминиевую промышленность в легкие нашей планеты.

Переработка

Одним из важных свойств алюминия является то, что он сохраняет свои свойства после обработки, что означает, что изделия из алюминия могут быть переработаны в новые изделия. Это помогает сохранить колоссальное количество энергии, которое необходимо использовать для производства первичного алюминия.

По оценкам Международного института алюминия, с 1880 года в мире было произведено почти миллиард тонн алюминия, и три четверти этого количества все еще используются сегодня. Около 35 % используется в зданиях и сооружениях, 30 % — в электрических кабелях и оборудовании и 30 % — в транспорте.

Здания и сооружения

Кабели электрические

Транспорт

Алюминиевый лом собирают по всему миру. В быту это в основном алюминиевые банки из-под напитков. Было подсчитано, что 1 кг переработанных пустых банок из-под напитков экономит 8 кг бокситов, 4 кг различных фторидов и 14 кВт/ч электроэнергии. Кроме того, переработка алюминия значительно снижает негативное воздействие постоянно расширяющихся свалок на окружающую среду. По мере того, как идея экологической ответственности набирает все большую популярность, раздельная переработка мусора становится все более популярной во всем мире.

Алюминиевые банки — один из самых перерабатываемых продуктов в мире. Примерно через 6 недель после использования алюминиевые банки снова появляются на полках магазинов

Каждый год в мире производится 220 миллиардов банок для напитков, 90% из них перерабатываются в Европе, и часто эти банки перерабатываются, а полученный из них алюминий используется для изготовления новых алюминиевых банок. Это одна из причин, по которой алюминиевые банки для напитков часто называют вечным продуктом. Но все может быть переработано: автомобильные детали, использованная алюминиевая фольга для приготовления пищи, велосипедные рамы, что угодно, если это сделано из алюминия, его можно переработать.

Фото: © Shutterstock и © Русал.

Обработка алюминия | История, добыча полезных ископаемых, переработка и факты

обработка алюминия

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:
Генри Дж. Кайзер
Похожие темы:
алюминий
обработка материалов

Просмотреть все связанные материалы →

обработка алюминия , подготовка руды для использования в различных продуктах.

Алюминий или алюминий (Al) представляет собой серебристо-белый металл с температурой плавления 660 °C (1220 °F) и плотностью 2,7 грамма на кубический сантиметр. Самый распространенный металлический элемент, он составляет 8,1 процента земной коры. В природе встречается в химическом соединении с кислородом и другими элементами. В чистом виде он мягкий и пластичный, но его можно легировать многими другими элементами для повышения прочности и придания ему ряда полезных свойств. Сплавы алюминия легкие, прочные и поддаются формовке почти всеми известными процессами металлообработки. Они могут быть отлиты, соединены различными способами и легко обработаны, и они допускают широкий спектр отделки.

В дополнение к его низкой плотности многие области применения алюминия и его сплавов основаны на его высокой электро- и теплопроводности, высокой отражательной способности и устойчивости к коррозии. Своей коррозионной стойкостью он обязан непрерывной пленке оксида алюминия, которая быстро растет на зарождающейся поверхности алюминия, подвергаемой воздействию воздуха.

История

Раннее использование и добыча

До 5000 г. до н.э. люди в Месопотамии делали прекрасную керамику из глины, которая состояла в основном из соединения алюминия, а почти 4000 лет назад египтяне и вавилоняне использовали соединения алюминия в различных химических веществах и лекарствах. Плиний относится к алюмен , известный сейчас как квасцы, соединение алюминия, широко используемое в древнем и средневековом мире для закрепления красителей в текстиле. К 18 веку глинозем землистого происхождения был признан потенциальным источником металла.

Английский химик Хамфри Дэви в 1807 году попытался извлечь металл. Несмотря на неудачу, он убедился, что оксид алюминия имеет металлическую основу, которую он назвал алюминием , а позже изменил на алюминий . Название было сохранено в Соединенных Штатах, но изменено на 9.0023 алюминий во многих других странах.

Датский физик и химик Ганс Кристиан Эрстед в 1825 году, наконец, получил алюминий. «Он образует, — сообщал Эрстед, — кусок металла, который по цвету и блеску чем-то напоминает олово».

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Несколько лет спустя Фридрих Велер, немецкий химик из Геттингенского университета, получил металлический алюминий в виде частиц размером с булавочную головку и впервые определил следующие свойства алюминия: удельный вес, пластичность, цвет и стабильность на воздухе.

Алюминий

оставался лабораторной диковинкой, пока французский ученый Анри Сент-Клер Девиль не объявил о значительном усовершенствовании метода Вёлера, которое позволило «булавочным головкам» Вёлера сливаться в куски размером с мрамор. Процесс Девиля стал основой алюминиевой промышленности. Слитки алюминия, изготовленные на химическом заводе Жавеля и выставленные в 1855 году на Всемирной выставке в Париже, представили публике новый металл.

Хотя тогда о свойствах алюминия было известно достаточно, чтобы указать на многообещающее будущее, стоимость химического процесса производства металла была слишком высока, чтобы его можно было широко использовать. Но важные улучшения в настоящее время привели к прорывам на двух фронтах: во-первых, процесс Девиля был улучшен; и, во-вторых, разработка динамо-машины сделала доступным большой источник энергии для электролиза, который оказался очень успешным при отделении металла от его соединений.

Работа Холла и Эру

Современный электролитический метод производства алюминия был открыт почти одновременно и совершенно независимо Шарлем Мартином Холлом из Соединенных Штатов и Полем-Луи-Туссеном Эру из Франции в 1886 году. (По странному совпадению оба мужчины родились в 1863 году и оба умерли в 1914 году.) Основы процессов Холла-Эру были идентичны и остаются основой сегодняшней алюминиевой промышленности. Очищенный глинозем растворяют в расплавленном криолите и подвергают электролизу на постоянном токе. Под действием тока кислород глинозема осаждается на угольном аноде и выделяется в виде углекислого газа, а свободный расплавленный алюминий, который тяжелее электролита, осаждается на угольной футеровке на дне электролизера.

Холл сразу осознал ценность своего открытия. 9 июля 1886 года он подал заявку на патент США и энергично работал над разработкой процесса. С другой стороны, Эру, хотя и подал заявку на патент несколькими месяцами ранее, по-видимому, не понял значения процесса. Он продолжил работу над вторым успешным процессом получения алюминиево-медного сплава. К счастью, в 1888 году австрийский химик Карл Йозеф Байер открыл усовершенствованный метод получения чистого глинозема из бокситовых руд с низким содержанием кремнезема.

Холл и группа бизнесменов основали Pittsburgh Reduction Company в 1888 году в Питтсбурге. Первый слиток был отлит в ноябре того же года. Спрос на алюминий рос, и в Нью-Кенсингтоне, штат Пенсильвания, был построен более крупный восстановительный завод, который к 1894 году использовал электричество, вырабатываемое паром, для производства одной тонны алюминия в день. Потребность в дешевой и обильной гидроэлектроэнергии привела молодую компанию к Ниагарскому водопаду. где в 1895 году он стал первым заказчиком новой разработки электростанции Ниагарского водопада.

За короткое время спрос на алюминий превзошел самые оптимистичные ожидания Холла. В 1907 году компания сменила название на Aluminium Company of America (Alcoa). До Второй мировой войны он оставался единственным производителем первичного алюминия в США, но за полвека в Соединенных Штатах насчитывалось 15 первичных производителей.

Европейская промышленность

Нойхаузен, Швейцария, является «питомником» европейской алюминиевой промышленности.